基于物联网的智能家居演示系统剖析.docx
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基于物联网的智能家居演示系统剖析.docx
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基于物联网的智能家居演示系统剖析
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实践教学
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兰州理工大学计算机与通信学院
2014年春季学期
物联网综合应用实践课程设计题目:
基于物联网的智能家居演示系统
专业班级:
姓名:
学号:
指导教师:
成绩:
摘要
随着社会经济的飞速发展,人民生活水平的迅速提高,人们对家居生活的品质提出了更高的要求。
基于ZigBee的物联网智能家居系统由于其能耗和成本相对较低、组网较便捷、安全性高等优点,相对来说比较适合智能家居的发展要求,迅速成为智能家居系统设计研究的重点。
基于ZigBee的物联网的智能家居系统的设计、开发和利用,对人们提高家居生活的品质和品位提供了一个很好的手段。
本文解析Zigbee技术,分析基于ZigBee的物联网的智能家居系统的技术结构,探究基于Zigbee的物联网的智能家居系统。
在设计中,为了实现智能家居系统的远程管理和无线传输的功能,利用ZigBee无线网络技术,以CC2530芯片和相关的一些外围器件组建成整个系统的家庭网关控制平台,而家居内部控制网络则利用ZigBee无线网络技术来实现。
在家庭内部控制网络中,采用美国德州仪器TI公司生产的CC2530芯片来实现家庭内部控制网络中协调器节点和终端节点的功能,通过将家庭网关(主控制器、测温传感器、继电器分别与CC2530射频芯片相结合,设计了家用电器开关控制模块和测温控制模块,实现家居的智能化管理。
关键词:
智能家居,Zigbee技术,CC2530,物联网
目录
一、系统介绍-----------------------------------------------------------------------------------------------------1-1.1智能家居-----------------------------------------------------------------------------------------------1-1.2关键技术-----------------------------------------------------------------------------------------------2-1.2.1物联网技术------------------------------------------------------------------------------------2-1.2.2ZigBee技术------------------------------------------------------------------------------------3-1.3系统开发平台-----------------------------------------------------------------------------------------4-1.3.1硬件平台--------------------------------------------------------------------------------------4-1.3.2软件平台--------------------------------------------------------------------------------------6-1.3.3演示平台------------------------------------------------------------------------------------11-1.4演示系统拓扑结构--------------------------------------------------------------------------------12-
二、硬件系统设计---------------------------------------------------------------------------------------------13-
三、软件系统设计---------------------------------------------------------------------------------------------16-3.1创建工程---------------------------------------------------------------------------------------------16-3.1.1建立工程------------------------------------------------------------------------------------16-3.1.2工程选项设置------------------------------------------------------------------------------17-3.1.3添加文件------------------------------------------------------------------------------------17-3.2任务与事件------------------------------------------------------------------------------------------18-3.2.1自定义事件---------------------------------------------------------------------------------18-3.2.2事件触发------------------------------------------------------------------------------------18-3.2.3定义事件触发函数------------------------------------------------------------------------18-3.2.4添加事件处理函数------------------------------------------------------------------------18-3.3设备信息配置---------------------------------------------------------------------------------------19-3.3.1ProfileID--------------------------------------------------------------------------------------19-3.3.2设备-------------------------------------------------------------------------------------------19-3.3.3端口-------------------------------------------------------------------------------------------19-3.3.4命令-------------------------------------------------------------------------------------------20-3.3.5端口描述符---------------------------------------------------------------------------------20-3.4建网与入网------------------------------------------------------------------------------------------21-3.5数据通信---------------------------------------------------------------------------------------------23-3.5.1数据通信格式------------------------------------------------------------------------------23-3.5.2发送数据------------------------------------------------------------------------------------23-3.5.3接收数据------------------------------------------------------------------------------------23-3.6人机交互---------------------------------------------------------------------------------------------24-3.6.1LED显示--------------------------------------------------------------------------------------24-3.6.2LCD显示--------------------------------------------------------------------------------------24-3.7生成HEX文件---------------------------------------------------------------------------------------25-
四、系统测试---------------------------------------------------------------------------------------------------26-
五、总结-----------------------------------------------------------------------------------------------------------27-致谢--------------------------------------------------------------------------------------------------------------28-参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------------------29-
一、系统介绍
1.1智能家居
目前的智能家居还处于一个初始发展阶段,国际社会暂时还没有形成一个明确的定义。
通常来说,智能家居就是利用计算机、网络、通信、传感与自动控制等技术,将与家庭生活有关的各种应用子系统有机的结合在一起,通过综合管理,让家庭生活更舒、安全、有效和节能。
智能家居一般包括以下系统:
可视对讲、家庭安防、网络通信、互动娱乐、智能照明、家电控制。
并且可以实现在生活中的智能化控制,以及网络的远程监控和管理。
智能家居的发展前景给了当今社会各个行业领域的人们以无限的遐想,无论家电制造商还是普通消费者,都能够或多或少地对未来家居的美好愿景给予独特的期待。
但目前现有的智能家具设备却明显存在成本高、信息安全不能得到保障、系统应用不够成熟、各操作界面不够友善、没有国际统一标准等诸多阻碍其迅速发展的问题。
目前市场中的家具设备种类繁多、结构简单、信息传输模式、通信组网方式也各有门路,人们期待中的智能家居系统在数据格式、符号和语法上存在很大的差异,会带来无法预知的困难。
针对该难题,数字生活联盟(DLNA通过制定通用协议手段,已经解决了会员商家设备的互联互通问题。
但共享数据内容的模式需要使用者以面向设备的方式来操作,没有办法进行统一强制性规定;同时,复杂的内容检索、繁复的设备操控等问题也暂时都没有寻求到有效地解决方案。
但是,无论问题怎样存在,普适计算、移动计算、虚拟计算机、云计算技术的飞速发展已经悄悄地给人类和家居环境之间的关系产生了微妙的影响;家居空间的计算模式正逐渐从面向技术转化为面向用户,家居环境物理世界和数字世界正加速融合。
智能家居是物联网技术的第三大应用领域。
物联网大潮下的智能家居行业在中国乃至全世界都有广阔的前景,是一个朝阳行业,蕴含着巨大的市场潜力。
本系统利用物联网的传感、互联、智能控制等技术特点构建新型智能家居系统,将GPRS移动通信技术、嵌入式Internet技术与新一代无线网络通信技术ZigBee相结合,克服了有线布线的弊端,配置灵活、实时性好,势必是未来智能家居系统的发展趋势。
智能家居系统包含的主要子系统有:
家居布线系统、家庭网络系统、智能家居(中央控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统(如TVC平板音响、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等八大系统。
其中,智能家居(中央控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统是必备系统,家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统为可选系统。
在智能家居系统产品的认定上,厂商生产的智能家居必须是属于必备系统,能实现智能家居的主要功能,才可称为智能家居。
因此,智能家居(中央控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统都可直接称为智能家居。
而可选系统都不能直接称为智能家居,只能用智能家居加上具体系统的组合表述方法,如背景音乐系统,称为智能家居背景音乐。
在智能家居环境的认定上,只有完整地安装了所有的必备系统,并且至少选装了一种及以
上的可选系统的智能家居才能称为智能家居。
智能家居具有以下功能:
1智能灯光控制;2智能电气控制;3安防监控系统;4智能背景音乐;5智能视频共享;6科室对讲系统;7家庭影院系统;8系统整合控制。
1.2关键技术
智能家居融合了计算机、网络、通信、传感与自动控制等技术,是一个综合性的技术,它的设计主要有以下关键技术。
1.2.1物联网技术
物联网技术的核心和基础仍然是互联网技术,是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术;其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间,进行信息交换和通讯。
因此,物联网技术的定义是:
通过射频识别(RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,将任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术叫做物联网技术。
物联网(InternetofThings指的是将无处不在(Ubiquitous的末端设备(Devices和设施(Facilities,包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、数控系统、家庭智能设施、视频监控系统等、和“外在使能”(Enabled的,如贴上RFID的各种资产(Assets、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”(Mote,通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通讯网络实现互联互通(M2M、应用大集成(GrandIntegration、以及基于云计算的SaaS营运等模式,在内网(Intranet、专网(Extranet、和/或互联网(Internet环境下,采用适当的信息安全保障机制,提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面(集中展示的CockpitDashboard等管理和服务功能,实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。
物联网主要有以下技术支撑:
1RFID:
电子标签属于智能卡的一类,物联网概念是1998年MITAuto-ID中心主任Ashton教授提出来的,RFID技术在物联网中主要起“使能”(Enable作用;
2传感网:
借助于各种传感器,探测和集成包括温度、湿度、压力、速度等物质现象的网络,也是温总理“感知中国”提法的主要依据之一;
3M2M:
这个词国外用得较多,侧重于末端设备的互联和集控管理,X-Internet,中国三大通讯营运商在推M2M这个理念;
4两化融合:
工业信息化也是物联网产业主要推动力之一,自动化和控制行业是主力,但目前来自这个行业的声音相对较少。
物联网的体系架构物联网体系主要由运营支撑系统、传感网络系统、业务应用系统、
无线通信网系统等组成。
通过传感网络,可以采集所需的信息,顾客在实践中可运用RFID读写器与相关的传感器等采集其所需的数据信息,当网关终端进行汇聚后,可通过无线网络运程将其顺利地传输至指定的应用系统中。
此外,传感器还可以运用ZigBee与蓝牙等技术实现与传感器网关有效通信的目的。
运用传感器网关可以实现信息的汇聚,同时可运用通信网络技术使信息可以远距离传输,并顺利到达指定的应用系统中。
目前,我国无线通信网络主要有3G、WLAN、LTE、GPR,而4G仍为试点阶段。
M2M平台具有一定的鉴权功能,因此可以为顾客提供必要的终端管理服务,同时,对于不同的接入方式,其都可顺利接入M2M平台,因此可以更顺利、更方便地进行数据传输。
此外,M2M平台还具备一定的管理功能,其介意对用户鉴权、数据路由等进行有效地管理。
而对于BOSS系统,其由于具备较强的计费管理功能,因此在物联网业务中得到广泛的应用。
业务应用系统主要提供必要的应用服务,包括智能家居服务,一卡通服务,水质监控服务等,所服务的对象,不仅仅为个人用户,也可以为行业用户或家庭用户。
在物联网体系中,通常存在多个通信接口,对通信接口未实施标准化处理,而在物联网应用方面,相关的法律与法规并不健全,这不利于物联网的安全发展。
1.2.2ZigBee技术
Zigbee是无线通信技术的一种典型代表,它在检测和控制方面有广阔空间,而且本身具有近距离、低复杂度、低功耗、低传输速率、低成本的绝对优势,这些与智能家居系统对家庭网络技术的要求不谋而合,已经确定了其取代有线组网,成为无线组网的最佳选择的地位;另一方面,市场上存在很多能够支持ZigBee技术的芯片,例如TI公司的CC2430、CC2530、CCll01,飞思卡尔公司的MCl3XX系列等,便宜的价格,能大大地降低得智能家居系统的成本,因此高额的性价比最有可能被百姓接受。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数据传输模块组成的一个无线数传网络平台,在整个网络范围内,每一个ZigBee网络数据传输模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是,ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,因而,它必须具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点。
每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象,例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控,还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。
除此之外,每一个ZigBee网络节点(FFD还可在自己信号覆盖的范围内,和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD无线连接。
ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行、868MHz(欧洲流行和915MHz(美国流行3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。
作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:
1低功耗:
由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。
1.3系统开发平台
在智能家居演示系统中,开发过程我们分为3个过程,分别是硬件设计,软件设计,还有系统演示的软件设计。
他们各自的设计平台如下。
1.3.1硬件平台
在智能家居演示系统中,硬件平台选用德州仪器的OURS-IOTV2物联网创新实验套件CC2530。
实验平台再现了一个典型的物联网完整架构,包含传感层、网络层与通信层。
物联网的传感层通过无线组网或现场总线实现对各种物理量的传感采集和反馈控制,数据通过网络汇聚到服务器,再由服务器通过Internet或3G网络实现广域的数据发布,与各种终端,包括手机实现智能的交互与管理。
OURS-IOTV2物联网创新实验套件包括硬件设备、软件资源、实验资源三大部分。
硬件设备包括8个无线节点模块、8个传感器模块、嵌入式网关和其他配套设备。
无线节点模块兼容目前市场上常用的无线芯片,包括CC2430、CC2431、CC2530、CC430、CEL工业模块以及国内常用的TinyOS的ATMEL128处理器。
软件资源包括无线传感器网络软件、sniffer软件、嵌入式网关软件与PCServer端软件。
如图(2所示。
图2物联网创新实验套件图3物联网创新实验套件模块介绍
1.3.2软件平台
在智能家居演示系统的设计过程中,我们要将设计好的软件代码下载到开发板上进行系统的演示,在进行软件程序的设计过程中,我们主要用到IAREmbeddedWorkbench软件和ZigBee协议栈,我们运用和硬件平台相容的TIZ-Stack协议栈。
1IAREmbeddedWorkbench软件的介绍
EW是IAREmbeddedWorkbench的简称,它的C/C++交叉编译环境和调试器是目前世界上最完善、最易使用的嵌入式应用开发工具。
他对不同的微处理器提供一样直观的用户界面。
目前它可以支持35中以上的8位/16位/32位ARM微处理器。
EW由嵌入式C/C++编译器、汇编器、连接定位器、库管理员、编译器、项目管理器以及C-SPY调试器组成。
使用IAR的编译器能最大程度优化和紧凑代码,节省硬件资源,最大限度降低产品成本,提高产品竞争力。
EW是IAREmbeddedWorkbench集成编译器的主要特征如下:
a.高效的PROMable代码;
b.完全标准C兼容;
c.内建对应芯片的程序速度和大小优化器;
d.目标特性扩充;
e.版本控制和扩展工具支持良好;
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